Синхронный двигатель с постоянными магнитами: почему промышленность всё активнее выбирает СДПМ 

Когда речь заходит об экономии энергии на нефтеперерабатывающем заводе или в горнодобывающем цехе, специалисты по приводной технике нередко слышат один и тот же вопрос: «Может, пора перейти с асинхронника на постоянные магниты?» Вопрос не праздный. Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами (СДПМ) существенно изменил соотношение сил на рынке промышленного привода. Попробуем разобраться, когда это решение оправдано, а когда асинхронный электродвигатель по-прежнему остаётся предпочтительным выбором.

Что внутри: конструктивные отличия СДПМ от асинхронного двигателя

Podz: один шаг к пониманию — разница в роторе

В асинхронном двигателе ротор не имеет постоянных магнитов. Ток наводится индукцией: поле статора создаёт ЭДС, та — ток, ток — момент. Отсюда неизбежные потери в меди ротора, нагрев и скольжение. Чем выше нагрузка, тем сильнее греется клетка.

В синхронном электродвигателе с постоянными магнитами ротор несёт систему высококоэрцитивных магнитов — чаще всего неодим-железо-бор (NdFeB). Ток ротора отсутствует, нет потерь в меди ротора, нет скольжения. Ротор вращается синхронно с полем статора. Результат — КПД до 97–98 % в широком диапазоне нагрузок, что принципиально важно для циклических и переменных режимов.

Именно отсутствие роторных потерь даёт СДПМ главное преимущество при частичной нагрузке: в насосных и вентиляционных установках, где машина большую часть времени работает на 50–70 % номинала, разница в потреблении по сравнению с асинхронным двигателем IE3 может достигать 8–12 %.

Сравнение по КПД: где постоянные магниты выигрывают у асинхронника

Podz: таблицы хороши, но жизнь сложнее

При номинальной нагрузке разница между СДПМ и асинхронным электродвигателем IE4 невелика — 1–2 %. Но при нагрузке 25–50 % КПД асинхронника падает заметно быстрее. Для шахтного вентилятора или насоса с переменным расходом это критично: машина работает в неполном режиме большую часть смены.

Ещё один фактор — cosφ. Синхронный двигатель с постоянными магнитами работает с коэффициентом мощности, близким к единице, а нередко даже генерирует реактивную мощность в сеть, разгружая питающий трансформатор. Для предприятий с большим парком электродвигателей это ощутимая экономия на штрафных санкциях за реактивную мощность.

На объектах с тарифом на электроэнергию 6–8 руб./кВт·ч и суммарной мощностью привода 500–2 000 кВт срок окупаемости инвестиций в замену асинхронного электродвигателя на СДПМ составляет 2–4 года. В нефтяной промышленности, где насосы работают 8 000 часов в год, цифра уменьшается до 1,5–2 лет.

Требования к управлению: СДПМ без частотного преобразователя не работает

Podz: это не недостаток — это условие задачи

Главное, что нужно понять перед выбором СДПМ: без частотно-регулируемого привода (ЧРП) синхронный двигатель с постоянными магнитами запустить невозможно. Прямой пуск от сети исключён — магниты ротора создают тормозной момент при запуске, что в лучшем случае приводит к длительному разгону, в худшем — к повреждению обмотки статора.

Для большинства промышленных применений это не проблема: насосы, компрессоры, вентиляторы и конвейеры в любом случае выигрывают от частотного регулирования. ЧРП позволяет плавно набирать скорость, защищает сеть от пусковых токов и обеспечивает экономию энергии по закону аффинности (снижение скорости вдвое уменьшает потребляемую мощность примерно в восемь раз).

Для взрывозащищённых зон ситуация несколько сложнее. ЧРП должен соответствовать требованиям ТР ТС 012/2011 и ГОСТ IEC 60079 в части управления взрывозащищёнными электродвигателями. Производитель обязан подтвердить совместимость пары «СДПМ — преобразователь»: разные алгоритмы управления по-разному нагревают обмотку статора, что влияет на температурный класс и допустимость применения в зоне 1 или 2.

СДПМ в нефтегазовой и горнодобывающей отраслях

Podz: реальные применения на российских и казахстанских объектах